通过散射计量法推进神经元三维结构成像：准确性提高十倍

筑波大学的研究人员通过采用散射计量法，这是一种最初用于测量半导体微结构的技术，成功实现了重大突破，用于神经元的分析。研究人员通过结合机器学习，提高了基于投射到样本的光的衍射图样的结构分析准确性。

这种新颖的方法在分辨率和测量速度上比传统光学显微镜提升了十倍以上。该研究已在期刊 Optics Express 上 发表。

大脑由众多神经元组成，每个神经元都是信息处理的基本单元。然而，它们的具体功能仍然只被部分理解。尤其是，记忆机制仍然是神经科学中一个主要的未解难题，其基本原理和处理路径仍然在很大程度上不清楚。

解决这个问题的一种策略是以非侵入性和高分辨率的方式测量单个神经元的形态及其内部结构动态。荧光显微镜仍然是实现这一目的的最常用技术之一。在这种方法中，样本的特定成分会被标记上荧光染料，样本在激发光照射后发出的荧光会被观察。然而，这种方法存在几个局限性，包括标记困难、染料的生物毒性，以及高分辨率成像所需的较长时间。

研究团队开发了一种快速而精确的三维测量神经元细微结构的方法。特别是，他们成功地将散射测量技术应用于神经元。这种技术不需要标记，能够实现非接触、非破坏性的测量，并且可以直接进行形状分析。这种方法是通过投射到样本上的光的衍射图案来重建原始结构的。

与传统显微镜不同，传统显微镜通过基于镜头的图像形成产生伪影，而受到有限分辨率的限制，新方法避免了这些问题。因此，对于直径为2微米的细胞，测量精度可以达到0.2微米。

原则上，也可以确定细胞内囊泡的位置，并在1毫秒的时间窗口内检测神经元发出的电信号。与传统系统相比，空间分辨率和测量速度提高了十倍以上。

尽管散射测量法通常用于半导体领域，但只限于具有周期性结构的物体。研究团队通过开发新的测量、计算和分析技术，成功克服了这一限制。此外，因为神经元的形状相对明确，这种新方法的适用性很高，预计这将有助于我们更深入地理解大脑中与记忆相关的机制。

更多信息： 岩田直树等人，高速三维横截面测量培养神经元的散射计量法，分辨率提高了一个数量级的技术，《光学快报》（2025）。 DOI: 10.1364/oe.553331